Suurem osa tänapäeva ehitusmaterjalidest, ravimitest, kangastest, majapidamistarvetest, pakenditest ja kulumaterjalidest on polümeerid. See on terve rühm ühendeid, millel on iseloomulikud eristavad tunnused. Neid on palju, kuid vaatamata sellele kasvab polümeeride arv jätkuv alt. Lõppude lõpuks avastavad sünteetilised keemikud igal aastal üha uusi aineid. Samal ajal oli just looduslik polümeer alati erilise tähtsusega. Mis on need hämmastavad molekulid? Millised on nende omadused ja millised on omadused? Nendele küsimustele vastame artikli käigus.
Polümeerid: üldised omadused
Keemia seisukoh alt peetakse polümeeri molekuliks, millel on tohutu molekulmass: mitmest tuhandest kuni miljoni ühikuni. Kuid lisaks sellele omadusele on veel mitmeid, mille järgi saab aineid täpselt klassifitseerida looduslikeks ja sünteetilisteks polümeerideks. See on:
- pidev alt korduvad monomeersed ühikud, mis on ühendatud erinevate interaktsioonide kaudu;
- polümeraasi aste (st monomeeride arv) peaks olema väga suurkõrge, vastasel juhul loetakse ühendit oligomeeriks;
- makromolekuli teatud ruumiline orientatsioon;
- kogum olulisi füüsikalisi ja keemilisi omadusi, mis on ainulaadsed sellele rühmale.
Üldiselt on polümeerset ainet teistest üsna lihtne eristada. Selle mõistmiseks tuleb vaid vaadata tema valemit. Tüüpiline näide on tuntud polüetüleen, mida kasutatakse laialdaselt igapäevaelus ja tööstuses. See on polümerisatsioonireaktsiooni produkt, millesse siseneb küllastumata süsivesinik etaan või etüleen. Reaktsioon üldkujul on kirjutatud järgmiselt:
nCH2=CH2→(-CH-CH-) , kus n on molekulide polümerisatsiooniaste, mis näitab, mitu monomeerset ühikut selle koostis sisaldab.
Samuti võib näitena tuua loodusliku polümeeri, mis on kõigile hästi teada, see on tärklis. Lisaks kuuluvad sellesse ühendite rühma amülopektiin, tselluloos, kanavalk ja paljud teised ained.
Reaktsioone, mis võivad moodustada makromolekule, on kahte tüüpi:
- polümerisatsioon;
- polükondensatsioon.
Erinevus seisneb selles, et teisel juhul on interaktsiooniproduktid madala molekulmassiga. Polümeeri struktuur võib olla erinev, see sõltub seda moodustavatest aatomitest. Sageli leitakse lineaarseid vorme, kuid on ka kolmemõõtmelisi võrke, mis on väga keerulised.
Kui me räägime jõududest ja vastastikmõjudest, mis hoiavad monomeerühikuid koos, siis saame tuvastada mitu põhilist:
- Van Der Waalstugevus;
- keemilised sidemed (kovalentsed, ioonsed);
- elektrostaatiline interaktsioon.
Kõiki polümeere ei saa ühendada ühte kategooriasse, kuna neil on täiesti erinev olemus, moodustumise viis ja neil on erinevad funktsioonid. Nende omadused on samuti erinevad. Seetõttu on olemas klassifikatsioon, mis võimaldab jagada kõik selle ainerühma esindajad erinevatesse kategooriatesse. See võib põhineda mitmel märgil.
Polümeeride klassifikatsioon
Kui võtta aluseks molekulide kvalitatiivne koostis, siis võib kõik vaadeldavad ained jagada kolme rühma.
- Orgaanilised – need on need, mis sisaldavad süsiniku, vesiniku, väävli, hapniku, fosfori ja lämmastiku aatomeid. See tähendab, et need elemendid, mis on biogeensed. Näiteid on palju: polüetüleen, polüvinüülkloriid, polüpropüleen, viskoos, nailon, looduslik polümeer – valk, nukleiinhapped ja nii edasi.
- Elementaalorgaanilised – need, mis sisaldavad mõnda kõrvalist anorgaanilist ja mittebiogeenset elementi. Enamasti on see räni, alumiinium või titaan. Selliste makromolekulide näited: orgaaniline klaas, klaaspolümeerid, komposiitmaterjalid.
- Anorgaaniline – ahel põhineb räni aatomitel, mitte süsinikul. Radikaalid võivad olla ka külgharude osad. Need avastati üsna hiljuti, 20. sajandi keskel. Kasutatakse meditsiinis, ehituses, masinaehituses ja muudes tööstusharudes. Näited: silikoon, kinaver.
Kui eraldate polümeerid päritolu järgi, saate seda tehavalige kolm nende rühma.
- Looduslikud polümeerid, mida on laialdaselt kasutatud juba antiikajast. Need on sellised makromolekulid, mille loomise nimel inimene ei pingutanud. Need on looduse enda reaktsioonide saadused. Näited: siid, vill, valk, nukleiinhapped, tärklis, tselluloos, nahk, puuvill jne.
- Kunstlik. Need on makromolekulid, mis on inimese loodud, kuid põhinevad looduslikel analoogidel. See tähendab, et juba olemasoleva loodusliku polümeeri omadusi lihts alt parandatakse ja muudetakse. Näited: tehiskumm, kumm.
- Sünteetilised – need on polümeerid, mille loomises osaleb ainult inimene. Nende jaoks pole looduslikke analooge. Teadlased töötavad välja meetodid uute materjalide sünteesiks, mis oleksid parandanud tehnilisi omadusi. Nii sünnivad mitmesugused sünteetilised polümeeriühendid. Näited: polüetüleen, polüpropüleen, viskoos, atsetaatkiud jne.
Vaatatavate ainete rühmadesse jaotamise aluseks on veel üks omadus. Need on reaktsioonivõime ja termiline stabiilsus. Sellel parameetril on kaks kategooriat:
- termoplast;
- termoset.
Kõige iidsem, olulisem ja eriti väärtuslik on endiselt looduslik polümeer. Selle omadused on ainulaadsed. Seetõttu käsitleme seda konkreetset makromolekulide kategooriat veelgi.
Milline aine on looduslik polümeer?
Sellele küsimusele vastamiseks vaadakem esm alt enda ümber. Mis meid ümbritseb?Meid ümbritsevad elusorganismid, mis toituvad, hingavad, paljunevad, õitsevad ning toodavad puuvilju ja seemneid. Ja mida nad esindavad molekulaarsest vaatenurgast? Need on ühendused nagu:
- valgud;
- nukleiinhapped;
- polüsahhariidid.
Niisiis, kõik need ühendid on looduslik polümeer. Seega selgub, et elu meie ümber eksisteerib ainult tänu nende molekulide olemasolule. Juba iidsetest aegadest on inimesed kasutanud kodu tugevdamiseks ja loomiseks savi, ehitussegusid ja mörte, kudunud villast lõnga ning riiete loomisel puuvilla, siidi, villa ja loomanahka. Looduslikud orgaanilised polümeerid saatsid inimest tema kujunemise ja arengu kõikidel etappidel ning aitasid tal paljuski saavutada tulemusi, mis meil praegu on.
Loodus ise andis kõik, et inimeste elu oleks võimalikult mugav. Aja jooksul avastati kumm, selgitati selle märkimisväärseid omadusi. Inimene on õppinud kasutama tärklist toiduks ja tselluloosi tehniliseks otstarbeks. Kampar on ka looduslik polümeer, mis on samuti tuntud iidsetest aegadest. Vaigud, valgud, nukleiinhapped on kõik vaadeldavate ühendite näited.
Looduslike polümeeride struktuur
Kõik selle aineklassi esindajad ei ole ühesuguse struktuuriga. Seega võivad looduslikud ja sünteetilised polümeerid oluliselt erineda. Nende molekulid on orienteeritud nii, et energia seisukohast on kõige kasulikum ja mugavam eksisteerida. Samal ajal on paljud looduslikud liigid võimelised paisuma ja nende struktuur selle käigus muutub. Ketistruktuuril on mitu levinumat varianti:
- lineaarne;
- hargnenud;
- tähekujuline;
- korter;
- võrk;
- lint;
- kammikujuline.
Makromolekulide tehis- ja sünteetilistel esindajatel on väga suur mass, tohutul hulgal aatomeid. Need on loodud spetsiaalselt määratud omadustega. Seetõttu kavandas nende struktuuri algselt inimene. Looduslikud polümeerid on struktuurilt enamasti kas lineaarsed või võrkjas.
Looduslike makromolekulide näited
Looduslikud ja tehispolümeerid on üksteisele väga lähedased. Lõppude lõpuks saavad esimesed teise loomise aluseks. Selliste transformatsioonide näiteid on palju. Siin on mõned neist.
- Tavaline piimvalge plastik on toode, mis saadakse tselluloosi töötlemisel lämmastikhappega, millele on lisatud looduslikku kamprit. Polümerisatsioonireaktsioon põhjustab saadud polümeeri tahkumise ja muutub soovitud produktiks. Ja plastifikaator kamper muudab selle kuumutamisel pehmeks ja muudab selle kuju.
- Atsetaatsiid, vask-ammoniaagikiud, viskoos on kõik näited nendest niitidest, kiududest, mida saadakse tselluloosist. Naturaalsest puuvillast ja linasest kangad ei ole nii vastupidavad, mitte läikivad, kergesti kortsuvad. Kuid nende kunstlikel analoogidel need puudused puuduvad, mistõttu on nende kasutamine väga atraktiivne.
- Tehiskivid, ehitusmaterjalid, segud, nahaasendajad onVaadake ka näiteid looduslikest toorainetest saadud polümeeride kohta.
Ainet, mis on looduslik polümeer, saab kasutada ka selle tegelikul kujul. Selliseid näiteid on ka palju:
- kampol;
- merevaigukollane;
- tärklis;
- amülopektiin;
- tselluloos;
- karusnahk;
- vill;
- puuvill;
- siid;
- tsement;
- savi;
- lubi;
- valgud;
- nukleiinhapped ja nii edasi.
Ilmselt on ühendite klass, mida me kaalume, väga arvukas, inimeste jaoks praktiliselt oluline ja oluline. Nüüd vaatame lähem alt mitmeid looduslike polümeeride esindajaid, mille järele on praegu suur nõudlus.
Siid ja vill
Loodusliku siidpolümeeri valem on keeruline, kuna selle keemilist koostist väljendavad järgmised komponendid:
- fibroiin;
- seritsiin;
- vahad;
- rasvad.
Peamine valk ise, fibroiin, sisaldab mitut tüüpi aminohappeid. Kui kujutate ette selle polüpeptiidahelat, näeb see välja umbes selline: (-NH-CH2-CO-NH-CH(CH3)- CO-NH-CH2-CO-)n. Ja see on vaid osa sellest. Kui kujutada ette, et selle struktuuri külge on van der Waalsi jõudude abil kinnitunud sama keeruline seritsiini valgu molekul ning koos segunevad need vaha ja rasvadega ühtseks konformatsiooniks, siis on selge, miks valemit on keeruline kujutada. looduslikust siidist.
TänaseksTänapäeval tarnib suurema osa sellest tootest Hiina, kuna selle avatud aladel on peamise tootja - siidiussi - looduslik elupaik. Varem, alates kõige iidsetest aegadest, hinnati kõrgelt looduslikku siidi. Ainult õilsad, rikkad inimesed said endale sellest riideid lubada. Tänapäeval jätavad paljud selle kanga omadused soovida. Näiteks on see tugev alt magnetiseeritud ja kortsus, lisaks kaotab see oma läike ja tuhmub päikese käes. Seetõttu on rohkem kasutusel sellel põhinevad kunstlikud tuletised.
Vill on ka looduslik polümeer, kuna see on loomade naha ja rasunäärmete jääkprodukt. Selle proteiinitoote põhjal valmivad kudumid, mis nagu siidki on väärtuslik materjal.
Tärklis
Looduslik polümeeritärklis on taimede jääkprodukt. Nad toodavad seda fotosünteesi protsessi tulemusena ja kogunevad erinevatesse kehaosadesse. Selle keemiline koostis:
- amülopektiin;
- amüloos;
- alfa-glükoos.
Tärklise ruumiline struktuur on väga hargnenud, korratu. Tänu kompositsioonis sisalduvale amülopektiinile on see võimeline vees paisuma, muutudes nn pastaks. Seda kolloidlahust kasutatakse masinaehituses ja tööstuses. Selle aine kasutusvaldkonnad on ka meditsiin, toiduainetööstus, tapeediliimide tootmine.
Maksimaalses koguses tärklist sisaldavate taimede hulgas on:
- mais;
- kartul;
- riis;
- nisu;
- maniokk;
- kaer;
- tatar;
- banaanid;
- sorgo.
Selle biopolümeeri põhjal küpsetatakse leiba, valmistatakse makarone, keedetakse kisselle, teravilju ja muid toiduaineid.
Tselluloosi
Keemia seisukoh alt on see aine polümeer, mille koostist väljendatakse valemiga (C6H5 O 5) . Ahela monomeerne lüli on beeta-glükoos. Peamised tselluloosisisalduse kohad on taimede rakuseinad. Seetõttu on puit selle ühendi väärtuslik allikas.
Tselluloos on looduslik polümeer, millel on lineaarne ruumiline struktuur. Seda kasutatakse järgmist tüüpi toodete tootmiseks:
- tselluloosi- ja paberitooted;
- kunstkarusnahk;
- erinevat tüüpi tehiskiud;
- puuvill;
- plast;
- suitsuvaba pulber;
- filmiribad ja nii edasi.
Ilmselt on selle tööstuslik tähtsus suur. Et antud ühendit saaks tootmises kasutada, tuleb see esm alt taimedest ekstraheerida. Seda tehakse puidu pikaajalisel küpsetamisel spetsiaalsetes seadmetes. Edasine töötlemine ja seedimiseks kasutatavad reaktiivid on erinevad. On mitmeid viise:
- sulfit;
- nitraat;
- naatrium;
- sulfaat.
Pärast seda hooldust sisaldab toode endiseltlisandid. See põhineb ligniinil ja hemitselluloosil. Nendest vabanemiseks töödeldakse massi kloori või leelisega.
Inimese kehas puuduvad sellised bioloogilised katalüsaatorid, mis suudaksid seda keerulist biopolümeeri lagundada. Mõned loomad (rohutoidulised) on aga sellega kohanenud. Nende kõhus on teatud bakterid, mis seda nende eest teevad. Vastutasuks saavad mikroorganismid eluks ja elupaigaks energiat. Selline sümbioosi vorm on mõlemale poolele äärmiselt kasulik.
Kumm
See on väärtusliku majandusliku tähtsusega looduslik polümeer. Seda kirjeldas esmakordselt Robert Cook, kes avastas selle ühel oma reisil. See juhtus nii. Maabunud saarele, kus elavad talle tundmatud põliselanikud, võtsid nad ta külalislahkelt vastu. Tema tähelepanu köitsid kohalikud lapsed, kes mängisid ebatavalise esemega. See kerakujuline keha tõusis põrandast lahti ja põrkas kõrgele, seejärel pöördus tagasi.
Küsinud kohalikelt elanikelt, millest see mänguasi on valmistatud, sai Cook teada, et ühe puu, hevea, mahl kõveneb sel viisil. Palju hiljem selgus, et see on kummi biopolümeer.
Selle ühendi keemiline olemus on teada – see on isopreen, mis on läbinud loodusliku polümerisatsiooni. Kummi valem on (С5Н8) . Selle omadused, mis muudavad selle nii kõrgelt hinnatud, on järgmised:
- elastsus;
- kulumiskindel;
- elektriisolatsioon;
- veekindel.
Samas on ka puudusi. Külma käes muutub see rabedaks ja rabedaks ning kuumaga kleepuvaks ja viskoosseks. Seetõttu tekkis vajadus sünteesida kunstliku või sünteetilise aluse analooge. Tänapäeval kasutatakse kummisid laialdaselt tehnilistel ja tööstuslikel eesmärkidel. Nendel põhinevad olulisemad tooted:
- kummid;
- eboniidid.
Amber
See on looduslik polümeer, kuna oma struktuurilt on see vaik, selle fossiilne vorm. Ruumiline struktuur on raami amorfne polümeer. See on väga tuleohtlik ja seda saab süüdata tikuleegiga. Sellel on luminestsentsomadused. See on väga oluline ja väärtuslik kvaliteet, mida kasutatakse ehetes. Merevaigul põhinevad ehted on väga ilusad ja nõutud.
Lisaks kasutatakse seda biopolümeeri ka meditsiinilistel eesmärkidel. Seda kasutatakse ka liivapaberi ja erinevate pindade lakkide valmistamiseks.
